Doklady ChemistryDoklady ChemistryДоклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах2686-95353034-5111The Russian Academy of Sciences65190410.31857/S2686953524030024ZJGEIVCHEMISTRYХИМИЯResearch ArticleSynthesis of spherical LiFePO₄ microparticles with encapsulated carbon nanotubes for high-power lithium-ion batteriesСинтез сферических микрочастиц LiFePO₄ с инкапсулированными углеродными нанотрубками для высокомощных литий-ионных аккумуляторовBabkinA. V.БабкинА. В.
Russian Federation

Faculty of Chemistry

химический факультет

A.V.Babkin93@yandex.ruDrozhzhinO. A.ДрожжинО. А.
Russian Federation

Faculty of Chemistry

химический факультет

A.V.Babkin93@yandex.ruKubarkovA. V.КубарьковА. В.
Russian Federation

Faculty of Chemistry

химический факультет

A.V.Babkin93@yandex.ruAntipovE. V.АнтиповЕ. В.
Russian Federation

Corresponding Member of the RAS, Faculty of Chemistry

член-корреспондент РАН, химический факультет

A.V.Babkin93@yandex.ruSergeyevV. G.СергеевВ. Г.
Russian Federation

Faculty of Chemistry

химический факультет

A.V.Babkin93@yandex.ruDepartment of Chemistry, Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В.ЛомоносоваSkolkovo Institute of Science and TechnologyСколковский институт науки и технологий03112024516182002022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/2686-9535/article/view/651904

Lithium ferrophosphate – LiFePO₄ (LFP) – is one of the widely studied and used materials for lithium-ion batteries. However, one of the main drawbacks of LFP is its poor electrical conductivity. To address this issue, we propose an effective approach based on encapsulating carbon nanotubes within the volume of LFP particles in the volume of spherical LFP particles. Electrodes based on the obtained materials exhibit more aTₜᵣactive electrochemical characteristics than LFP obtained by the standard method: increased specific capacity (62 and 92 mAh g–1 at a current density of 20C for LFP and LFP/SWCNT, respectively), stability of cyclic characteristics (preservation of 98% capacity after 100 charge/discharge cycles for LFP/SWCNT and 96.5% for LFP), as well as reduced charge transfer resistance. Encapsulation of SWCNT into the structure of iron phosphate during deposition is an easy-to-implement approach to formation modified LFP-based cathodes with improved characteristics, which expands the possibilities of their practical application in high-power lithium-ion batteries.

Феррофосфат лития – LiFePO₄ (LFP) – является одним из наиболее изученных и используемых на практике катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Одним из основных недостатков LFP является низкая электронная проводимость. В настоящей работе предлагается эффективный подход к решению обозначенной проблемы, основанный на инкапсуляции углеродных нанотрубок (SWSNT) в объеме сферических частиц LFP. Инкапсулирование SWCNT в структуру фосфата железа в процессе осаждения – это простой в реализации подход к созданию модифицированных катодов на основе LFP. Электроды на основе полученных материалов демонстрируют более привлекательные электрохимические характеристики, чем на основе LFP: повышенную удельную емкость (62 и 92 мАч г⁻¹ при плотности тока 20С для LFP и LFP/SWCNT соответственно), стабильность циклических характеристик (сохранение емкости 98% после 100 циклов заряда/разряда для LFP/SWCNT и 96.5% для LFP), а также пониженное сопротивление переносу заряда. Улучшенные качества таких модифицированных катодов предполагают расширение возможностей их практического применения в высокомощных литий-ионных аккумуляторах.

lithium-ion batterylithium ferrophosphatesingle-walled carbon nanotubesprecipitationcomposite materialлитий-ионный аккумуляторферрофосфат литияодностенные углеродные нанотрубкиосаждениекомпозиционный материалРоссийский научный фонд (проект)Russian Science Foundation (project)22-73-00246Deng D. // Energy Science & Engineering. 2015. V. 3. № 5. P. 385–418. https://doi.org/10.1002/ese3.95Li J., Du Z., Ruther R.E. An S.J., David L.A., Hays K., Wood M., Phillip D.N., Sheng Y., Mao C., Kalnaus S., Daniel C., Wood III D.L. // JOM. 2017. V. 69. P. 1484–1496. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2404-9Miao Y., Hynan P., von Jouanne A., Yokochi A. // Energies. 2019. V. 12. № 6. P. 1074–1094. https://doi.org/10.3390/en12061074Camargos P.H., Pedro dos Santos H.J., dos Santos I.R., Ribeiro G.S., Caetano R.C. // Int. J. Energy Res. 2022. V. 46. № 13. P. 19258–19268. https://doi.org/10.1002/er.7993Nitta N., Wu F., Lee J.T., Yushin G. // Mater. Today. 2015. V. 18. № 5. P. 252–264. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040Mohamed N., Allam N.K. // RSC Adv. 2020. V. 10. № 37. P. 21662–21685. https://doi.org/10.1039/D0RA03314FWang Y., Xu C., Tian X., Wang S., Zhao Y. // Chin. J. Struct. Chem. 2023. V. 42. № 10. P. 100167. https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2023.100167Murdock B.E., Toghill K.E., Tapia‐Ruiz N. // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 39. P. 2102028. https://doi.org/10.1002/aenm.202102028Guan P., Zhou L., Yu Z., Sun Y., Liu Y., Wu F., Jiang Y., Chu D. // J. Energy Chem. 2020. V. 43. P. 220–235. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.08.022Mukhopadhyay A., Jangid M.K. // Science. 2018. V. 359. № 6383. P. 1463–1463. https://doi.org/10.1126/science.aat245Van Noorden R. // Nature. 2014. V. 507. P. 26–28. https://doi.org/10.1038/507026aJie Y., Ren X., Cao R., Cai W., Jiao S. // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. № 25. P. 1910777. https://doi.org/10.1002/adfm.201910777Pender P.J., Jha G., Youn D.H., Ziegler J.M., Andoni I., Choi E.J., Heller A., Dunn B.S., Weiss P.S., Pennere R.M., Mullins B.C. // ACS Nano. 2020. V. 14. № 2. P. 1243–1295. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b04365Zhang J.-C., Liu Z.-D., Zeng C.-H., Luo J.-W., Deng Y.-D., Cui X.-Y., Chen Y.-N. // Rare Met. 2022. V. 41. P. 3946–3956. https://doi.org/10.1007/s12598-022-02070-6Lyu Y., Wu X., Wang K., Feng Z., Cheng T., Liu Y., Wang M., Chen R., Xu L., Zhou J., Lu Y., Guo B. // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 2. P. 2000982. https://doi.org/10.1002/aenm.202000982Malik M., Chan K.H., Azimi G. // Mater. Today Energy. 2022. V. 28. 101066. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101066Li T., Yuan X.-Z., Zhang L., Song D., Shi K., Bock C. // Electrochem. Energ. Rev. 2020. V. 3. P. 43–80. https://doi.org/10.1007/s41918-019-00053-3Tian J., Xiong R., Shen W., Lu J. // Appl. Energy. 2021. V. 291. P. 116812. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116812Xin Y.-M., Xu H.-Y., Ruan J.-H., Li D.-C., Wang A.-G., Sun D.-S. // Int. J. Electrochem. Sci. 2021. V. 16. № 6. P. 210655. https://doi.org/10.20964/2021.06.33Zhang S.S., Xu K., Jow T.R. // J. Power Sources. 2006. V. 160. № 2. P. 1349–1354. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.02.087Zou Y., Zhang J., Lin J., Wu D.-Y., Yang Y., Zheng J. // J. Power Sources. 2022. V. 524. P. 231049. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231049Neskoromnaya E.A., Babkin A.V., Zakharchenko E.A., Morozov Yu.G., Kabachkov E.N., Shulga Yu.M. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. P. 818–825. https://doi.org/10.1134/S1990793123040139Arshad F., Lin J., Manukar N., Fan E., Ahmad A., Tariq M.-un-N., Wu F., Chen R., Li L. // Resour. Conserv. Recycl. 2022. V. 180. P. 106164. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106164Sovacool B.K. // The Extractive Industries and Society. 2019. V. 6. № 3. P. 915–939. https://doi.org/10.1016/j.exis.2019.05.018Konar R., Maiti S., Shpingel N., Aurbach D. // Energy Stor. Mater. 2023. V. 63. P. 103001. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103001Zhang J.-N., Li Q., Ouyang C., Yu X., Ge M., Huang X., Hu E., Ma C., Li S., Xiao R., Yang W., Chu Y., Liu Y., Yu H., Yang X.-Q., Huang X., Chen L., Li H. // Nat. Energy. 2019. V. 4. P. 594–603. https://doi.org/10.1038/s41560-019-0409-zChombo P.V., Laoonual Y. // J. Power Sources. 2020. V. 478. P. 228649. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228649Zhitao E., Guo H., Yan G., Wang J., Feng R., Wang Z., Li X. // J. Energy Chem. 2021. V. 55. P. 524–532. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.06.071Lipson A.L., Durham J.L., LeResche M., Abu-Baker I., Murphy M.J., Fister T.T., Wang L., Zhou F., Liu L., Kim K., Johnson D. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 16. P. 18512–18518. https://doi.org/10.1021/acsami.0c01448Chen S., Gao Z., Sun T. // Energy Sci. Eng. 2021. V. 9. № 9. P. 1647–1672. https://doi.org/10.1002/ese3.895Samigullin R.R., Drozhzhin O.A., Antipov E.V. // ACS Appl. Energy Mater. 2022. V. 5. P. 14−19. https://doi.org/10.1021/acsaem.1c03151Ramasubramanian B., Sundarrajan S., Chellappan V., Reddy M.V., Ramakrishna S., Zaghib K. // Batteries. 2022. V. 8. P. 133. https://doi.org/10.3390/batteries8100133Geng J., Zhang S., Hu X., Ling W., Peng X., Zhong S., Liang F., Zou Z. // Ionics. 2022. V. 28. P. 4899–4922. https://doi.org/10.1007/s11581-022-04679-0Lin J., Sun Y.-H., Lin X. // Nano Energy. 2022. V. 91. P. 106655. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106655Tian J., Xiong R., Shen W., Lu J. // Appl. Energy. 2021. V. 291. P. 116812. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116812Li J., Yao W., Martin S., Vaknin D. // Solid State Ionics. 2008. V. 179. № 35–36. P. 2016–2019. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.06.028Minakshi M. // Electrochim. Acta. 2010. V. 55. № 28. P. 9174–9178. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.09.011Zhang H., Zou Z., Zhang S., Liu J., Zhong S. // Int. J. Electrochem. Science. 2020. V. 15. № 12. P. 12041–12067. https://doi.org/10.20964/2020.12.71Doeff M.M., Wilcox J.D., Kostecki R., Lau G. // J. Power Sources. 2006. V. 163. № 1. P. 180–184. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.11.075Zhang W.-J. // J. Power Sources. 2011. V. 196. № 6. P. 2962–2970. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.11.113Zhao N., Li Y., Zhao X., Zhi X., Liang G. // J. Alloys Compd. 2016. V. 683. P. 123–132. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.070Rigamonti M.G., Chavalle M., Li H., Antitomaso P., Hadidi L., Stucchi M., Galli F., Khan H., Dolle M., Boffito D.C., Patience G.S. // J. Power Sources. 2020. V. 462. P. 228103. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228103Wang X., Wen L., Zheng Y., Liu H., Liang G. // Ionics. 2019. V. 25. P. 4589–4596. https://doi.org/10.1007/s11581-019-03025-1Cao Z., Ma B., Wang C., Shi B., Chen Y. // Hydrometallurgy. 2022. V. 212. P. 105896. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105896Lou W., Zhang W., Zhang Y., Zheng S., Sun P., Wang X., Qiao S., Li J., Zhang Y., Liu D., Wenzel M., Weigand J.J. // J. Alloys Compd. 2021. V. 856. P. 158148. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158148Babkin A.V., Kubarkov A.V., Styuf E.A., Sergeyev V.G., Drozhzhin O.A., Antipov E.V. // Russ. Chem. Bull. 2024. V. 73. № 1. P. 14–32. https://doi.org/10.1007/s11172-024-4119-8Manna K., Srivastava S.K. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 34. P. 19913–19920. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b04813Zhang, Y., Liang, Q., Huang, C., Gao P., Zhang X., Yang X., Liu L., Wang X. // J. Solid State Electrochem. 2018. V. 22. P. 1995–2002. https://doi.org/10.1007/s10008-018-3905-3Zhou W., He W., Zhang X., Yan S., Sun X., Tian X., Han X. // Powder Technol. 2009. V. 194. № 1–2. P. 106–108. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.03.034Wang M., Xue Y., Zhang K., Zhang Y. // Electrochim. Acta. 2011. V. 56. № 11. P. 4294–4298. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.01.074Ming X.-l., Wang R., Li T., Wu X., Yuan L., Zhao Y. // ACS Omega. 2021. V. 6. № 29. P. 18957–18963. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02216Tao S., Li J., Wang L., Hu L., Zhou H. // Ionics. 2019. V. 25. P. 5643–5653. https://doi.org/10.1007/s11581-019-03070-wZhu Y., Tang S., Shi H., Hu H. // Ceram. Int. 2014. V. 40. № 2. P. 2685–2690. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.10.055Gongyan W., Li L., Fang H. // Int. J. Electrochem. Sci. 2018. V. 13. P. 2498–2508. https://doi.org/10.20964/2018.03.72Babkin A.V., Kubarkov A.V., Drozhzhin O.A., Urvanov S.A., Filimonenkov I.S., Tkachev A.G., Mordkovich V.Z., Sergeyev V.G., Antipov E.V. // Dokl. Chem. 2023. V. 508. P. 1–9. https://doi.org/10.1134/S001250082360013XWu Y.-J., Gu Y.-J., Chen Y.-B., Liu H.-Q., Liu C.-Q. // Int. J. Hydrog. Energy. 2018. V. 43. № 4. P. 2050–2056. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.12.061Ju S., Liu T., Peng H., Li G., Chen K. // Mater. Lett. 2013. V. 93. P. 194–198. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.11.083Guo Y., Jiang Y., Zhang Q., Wan D., Huang C. // J. Power Sources. 2021. V. 506. P. 230052. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230052Kubarkov A.V., Babkin A.V., Drozhzhin O.A., Stevenson K.J., Antipov E.V., Sergeyev V.G. // Nanomaterials. 2023. V. 13. P. 1771. https://doi.org/10.3390/nano13111771Song J., Shao G., Ma Z., Wang G., Yang J. // Electrochim. Acta. 2015. V. 178. P. 504–510. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.08.053Liang J., Gan Y., Yao M., Li Y. // Int. J. Heat Mass Transfer. 2021. V. 165. Part A. P. 120615. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120615Cao H., Wen L., Guo Z., Piao N., Hu G., Wu M., Li F. // New Carbon Mater. 2022. V. 37. № 1. P. 46–58. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(22)60584-5Leanza D., Vaz C.A.F., Novak P., Kazzi M.E. // Helv. Chim. Acta. 2021. V. 104. P. e2000183. https://doi.org/10.1002/hlca.202000183Chen M., Liu F.-M., Chen S.-S., Zhao Y.-J., Sun Y., Li C.-S., Yuan Z.-Y., Qian X., Wan R. // Carbon. 2023. V. 203. P. 661–670. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.015Dong G.-H., Mao Y.-Q., Li Y.-Q., Huang P., Fu S.-Y. // Electrochim. Acta. 2022. V. 420. P. 140464. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140464Al-Samet M.A.M.M., Burgaz E. // J. Alloys Compd. 2023. V. 947. P. 169680. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169680Wang B., Liu T., Liu A., Liu G., Wang L., Gao T., Wang D., Zhao X.S. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. P. 1600426. https://doi.org/10.1002/aenm.201600426Liu Z., Zhang R., Xu F., Gao Y., Zhao J. // J. Solid State Electrochem. 2022. V. 26. P. 1655–1665. https://doi.org/10.1007/s10008-022-05198-8Stenina I.A., Minakova P.V., Kulova T.L., Desyatov A.V., Yaroslavtsev A.B. // Inorg. Mater. 2021. V. 57. P. 620–628. https://doi.org/10.1134/S0020168521060108Tu X., Zhou Y., Song Y. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 400. P. 329–338. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.12.220Gong C., Xue Z., Wang X., Zhou X.-P., Xie X.-L., Mai Y.-W. // J. Power Sources. 2014. V. 246. P. 260–268. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.07.091Lei X., Zhang H., Chen Y., Wang W., Ye Y., Zheng C., Deng P., Shi Z. // J. Alloys Compd. 2015. V. 626. P. 280–286. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.09.169Wu R., Xia G., Shen S., Zhu F., Jiang F., Zhang J. // Electrochim. Acta. 2015. V. 153. P. 334–342. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.12.028